TWI760010B - 影像感測件、光學結構及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

光感元件可形成在半導體基材的前側。具有第一折射率的光學折射層可形成在半導體基材之背側。包含開口的柵格結構形成在光學折射層上。遮蔽材料層形成在柵格結構及光學折射層上。利用非等向性蝕刻製程對遮蔽材料層進行非等向性蝕刻，並連帶蝕刻光學折射層的材料，以於光學折射層的物理暴露區形成非平面遠端表面部分，其中此些非平面遠端表面部分包含隨機突出部。光學透明層可形成於光學折射層之非平面遠端表面部分，且光學透明層具有不同於第一折射率之第二折射率。折射界面將入射光折射至隨機方向，且改善光感元件之量子效率。

Description

影像感測件、光學結構及其形成方法
本揭露是有關於半導體裝置，特別是關於一種背照互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS)影像感測件及其形成方法。
半導體影像感測件是用來感測電磁輻射(如：可見光、紅外輻射及/或紫外光)。互補式金屬氧化物半導體影像感測件(CMOS image sensors；CIS)及電荷耦合元件(charged-coupled device；CCD)感測件用於各種應用中(如：數位相機或行動裝置中的嵌設相機)中。這些裝置利用像素陣列(其中像素陣列可包含發光二極體及電晶體)以利用電子電洞對之光生成來偵測輻射。背照式(backside illuminated；BSI)影像感測件是配置以偵測衝擊到半導體基材背側的光線之影像感測件。用以偵測和處理光生成訊號的互補式金屬氧化物半導體電路可形成在半導體基材的前側。
本揭露提出一種光學結構，可包含多個光感元件、光學折射層、柵格結構及光學透明層，其中多個光感元件位於半導體基材的前側。上述光學折射層位於半導體基材的背側，其中光學折射層具有第一折射率，光學折射層可包含多個平面遠端表面部分及多個非平面遠端表面部分，且此些非平面遠端表面部分可包含多個隨機突出部。上述柵格結構位於此些平面遠端表面部分上且可包含多個開口，其中此些開口位於此些非平面遠端表面部分之上。上述光學透明層垂直延伸而貫穿柵格結構中的此些開口，並接觸此些非平面遠端表面部分，其中光學透明層可具有不同於第一折射率之一第二折射率。利用此些非平面遠端表面部分提供折射界面，可使入射光以多個隨機方向折射。
根據本揭露之另一態樣，提出一種影像感測件，可包含像素陣列、光學折射層、柵格結構及光學透明層。上述像素陣列位於半導體基材上，其中像素陣列之每一像素可包含至少一次像素，每一至少一次像素可包含相應的光感元件及相應的感測電路，且光感元件及感測電路位於半導體基材之前表面。上述光學折射層位於半導體基材的背側，其中光學折射層具有第一折射率，光學折射層可包含多個平面遠端表面部分及多個非平面遠端表面部分，且此些非平面遠端表面部分可包含多個隨機突出部。以俯視視角，每一此些非平面遠端表面部分與相應的此些光感元件 呈現區域上的重疊。柵格結構位於此些平面遠端表面部分上，其中此柵格結構可包含多個開口，且此些開口位於此些非平面遠端表面部分之上。光學透明層垂直延伸而貫穿柵格結構中的此些開口，其中光學透明層具有不同於第一折射率之第二折射率。
根據本揭露之又一態樣，提出一種光學結構的形成方法。首先，在半導體基材的前側形成多個光感元件。接著，在半導體基材的背側形成具有第一折射率之光學折射層。然後，於光學折射層之遠端表面上形成柵格結構，其中柵格結構可包含多個開口，且此些開口位於此些光感元件的相應一者之上。接下來，在柵格結構上及光學折射層上形成遮蔽材料層。接著，利用非等向性蝕刻製程對遮蔽材料層進行非等向性蝕刻，並連帶蝕刻光學折射層的材料，以在光學折射層的多個物理性暴露區上形成多個非平面遠端表面部分，其中多個非平面遠端表面部分可包含多個隨機突出部。然後，在光學折射層的此些非平面遠端表面部分上形成光學透明層，其中光學透明層具有第二折射率，且第二折射率不同於第一折射率。
500,510:半導體基材
600:前側感測元件
601:基材半導體層
602:第二導電型針筒光二極體層
603:第一導電型針筒光二極體層
605:轉移閘極
607:第一導電型井
608:浮動擴散區
609:前側表面
612:主動區域
614:閘極介電質
615:閘電極
620:淺溝槽隔離結構
630:轉移電晶體
640:重置電晶體
650:源極隨耦器電晶體
660:選擇電晶體
670:內連線級介電層
680:金屬互聯結構
682:金屬介層結構
684:金屬線結構
689:緩衝層
690:承載基材
709:背側表面
711:襯墊介電質層
712:硬遮罩層
719:深溝槽
720:深溝槽隔離結構
721,721L:介電金屬氧化物襯墊
722,722L:介電絕緣層
732:抗反射塗覆層
734:光學折射層
734N:非平面遠端表面部分
734R:隨機突出部
740:柵格結構
742:介電柵格結構
742L:介電柵格材料層
744:金屬柵格結構
744L:金屬反射材料層
747:光阻層
750,750L:遮蔽材料層
757:光阻層
770:光學透明層
780:彩色濾光片
781:第一型彩色濾光片
782:第二型彩色濾光片
783:第三型彩色濾光片
790:光學透鏡
800:次像素
801:第一次像素
801D,802D,803D:偵測區域
801S,802S,803S:感測電路區域
802:第二次像素
803:第三次像素
900:像素
1000:陣列
1610,1620,1630,1640,1650,1660:步驟
根據以下詳細說明並配合附圖閱讀，使本揭露的態樣獲致較佳的理解。需注意的是，如同業界的標準作法，許多特徵僅作示意之用並非按照比例繪示。事實上，為了清楚討論，許多特徵的尺寸可以經過任意縮放。
圖1A是繪示依據本揭露之一實施例之用於影像感測件的 像素陣列的第一構造的俯視圖。
圖1B是繪示依據本揭露之一實施例之用於影像感測件的像素陣列的第二構造的俯視圖。
圖2A是繪示依據本揭露之一實施例之例示性結構中次像素區域裡前感測元件的俯視圖。
圖2B是沿著圖2A的垂直平面B-B’的例示性結構的垂直剖面圖。
圖3是繪示依據本揭露之一實施例之在內連線級介電層形成金屬內連線結構及連接承載基材後的例示性結構之垂直剖面圖。
圖4是繪示依據本揭露之一實施例之半導體基材薄化後的例示性結構的垂直剖面圖。
圖5是繪示依據本揭露之一實施例之在半導體基材之背側上的深溝槽形成後的例示性結構的垂直剖面圖。
圖6是繪示依據本揭露之一實施例之硬遮罩層及襯墊介電質層移除後的例示性結構的垂直剖面圖。
圖7是繪示依據本揭露之一實施例之介電金屬氧化物襯墊及介電絕緣層形成後的例示性結構的垂直剖面圖。
圖8是繪示依據本揭露之一實施例之深溝槽隔離結構形成後的例示性結構的垂直剖面圖。
圖9是繪示依據本揭露之一實施例之抗反射塗覆、光學折射層、介電柵格材料層、金屬反射材料層及圖案化光阻層形成後的例示性結構的垂直剖面圖。
圖10A是繪示依據本揭露之一實施例之複合柵格結構形成 後的例示性結構的垂直剖面圖。
圖10B是圖10A的例示性結構的俯視圖。鉸接的垂直平面A-A’對應圖10A的垂直剖面圖的平面。
圖11A是繪示依據本揭露之一實施例之遮蔽材料層及圖案化光阻層形成後的例示性結構的垂直剖面圖。
圖11B是圖11A的例示性結構的俯視圖。鉸接的垂直平面A-A’對應圖11A的垂直剖面圖的平面。
圖11C是沿著圖11B的垂直平面C-C’的例示性結構的垂直剖面圖。
圖12A是繪示依據本揭露之一實施例之在光學折射層上非平面遠端表面部分形成後的例示性結構的垂直俯視圖，其中非平面遠端表面部分是由非等向蝕刻遮蔽材料層並連帶蝕刻光學折射層的頂部形成。
圖12B是圖12A的例示性結構的俯視圖。鉸接的垂直平面A-A’對應圖12A的垂直剖面圖的平面。
圖12C是沿著圖12B的垂直平面C-C’的例示性結構的垂直剖面圖。
圖12D是繪示依據本揭露之一實施例之測試樣本的光學折射層的頂表面之掃描式電子顯微鏡圖。
圖13A是繪示依據本揭露之一實施例之光阻層移除後的例示性結構的垂直剖面圖。
圖13B是圖13A的例示性結構的俯視圖。鉸接的垂直平面A-A’對應圖13A的垂直剖面視角的平面。
圖13C是沿著圖13B的垂直平面C-C’之例示性結構的垂 直剖面圖。
圖14是繪示依據本揭露之一實施例之光學性透明層、彩色濾光片及鏡片形成後之例示性結構的垂直剖面圖。
圖15A是繪示依據本揭露之一實施例之承載基材移除後的例示性結構的垂直剖面圖。
圖15B是圖15A例示性結構的另一垂直剖面圖。
圖16是繪示依據本揭露之一實施例之用於影像感測件的形成之例示性的過程順序的流程圖。
以下揭示內容提供了各種實施例或例示，以實現本揭示內容的不同特徵。下文所述之元件與配置的具體例子係用以簡化本揭示內容。當可想見，此等敘述僅為例示，其本意並非用於限制本揭示內容。舉例而言，在下文的描述中，將第一特徵形成於第二特徵上或上方，可能包含某些實施例其中所述的第一與第二特徵彼此直接接觸；亦可能包含某些實施例其中於上述第一與第二特徵之間還形成其他特徵，而使得第一與第二特徵可能沒有直接接觸。此外，本揭示內容可能會在多個實施例中重複使用元件符號及/或標號。此種重複使用乃是基於簡化與清楚之目的，且其本身不代表所討論的不同實施例及/或組態之間的關係。
再者，在此處可使用空間對應詞彙，例如「之下」、「下方」、「低於」、「之上」、「上方」等類似詞彙， 以方便說明圖中所繪示的一元件或特徵相應於另一或多個元件或特徵之間的關係。此等空間對應詞彙其本意除了圖中所繪示的位向之外，還涵蓋了裝置在使用或操作中所處的多種不同位向。可將所述設備放置於其他位向(如，旋轉90度或處於其他位向)，並可相應解釋本揭露使用的空間對應描述。
一般而言，本揭露之構造及方法可用來提高影像感測件的量子效率，其中量子效率是衝擊至光反應性材料部分的所有光子中，產生電子電洞對之光子的比例。光子的光學折射層，光學折射層具有隨機表面粗糙度，可將衝擊到光感元件的光子隨機折射，藉以提高光感元件之量子效率。
增加光感元件中光子吸收之機率可對影像感測件中光子光路徑中的折射結構產生有益的作用。舉例來說，王子儀團隊於2015年發表於《科學報告》(Scientific Reports)第五冊文章號碼第7810號的文章《矽奈米錐陣列中可調式米氏共振之寬頻光吸收(Broadband optical absorption by tunable Mie resonances in silic on nanocone arrays)》說明折射柱陣列可如何增加對光學測距(optical range)中各種波長之光子之吸收係數。然而，製造如此週期性的柱陣列可為昂貴的製程，因其需要利用深紫外光(deep ultraviolet；DUV)蝕刻進行週期性結構之蝕刻圖案化。本揭露的多個實施例藉由利用非等向性蝕刻製程來製造包含多個隨機突出部的隨機反射表面， 以形成具有數量級為100nm之側向尺寸之隨機折射表面。在下方的光學透明層材料中，使用蝕刻化學反應來放大製程不均勻性，其中製程不均勻性使遮罩材料層中蝕刻的厚度產生局部變化，且相較於對遮罩材料層的材料，此蝕刻化學反應對光學透明材料的蝕刻速率較大。在影像感測件的撞擊光子的光徑中提供上述隨機折射表面，以增加影像感測件之量子效率。
根據圖1A及圖1B，其係分別繪示用於影像感測件的像素900之陣列1000的第一構造及像素900之陣列1000第二構造的俯視圖。影像感測件可為背照式(backside illuminated；BSI)影像感測元件。然而，需注意的是，本揭露之實施例可用於前照式(front side illuminated；FSI)影像感測件。
每個像素900代表最小單位區域，以由影像感測件產生影像。像素陣列區係指包含多個像素900之陣列1000的區域。像素陣列區中的像素900可排列成列(rows)及行(columns)。舉例而言，像素陣列區可包含M列N行，其中M和N是範圍為1至216的整數，例如從28至214。以範圍在1至M的連續整數編號像素900之列，並以範圍在1至N的連續整數編號像素900之行。像素Pij表示在第i列第j行的像素900。
每個像素900包含至少一光感元件，其中至少一光感元件是配置以偵測給定波長範圍之輻射。每個像素900可包含多個光感元件，其中多個光感元件是配置以偵 測相應的波長範圍之輻射，且多個光感元件相應的波長範圍可不相同。在一實施例中，每個像素900可包含多個次像素，且每個次像素分別包含光感元件和電子電路的組合，其中光感元件和電子電路的組合是配置以偵測撞擊至光感元件的輻射。舉例而言，像素900可包含設置以偵測紅波長範圍(如範圍實質為635nm至700nm)之輻射的次像素、設置以偵測綠波長範圍(如範圍實質為520nm至560nm)之輻射的次像素，以及設置以偵測藍波長範圍(如範圍實質為450nm至490nm)之輻射的次像素。如此的次像素被分別稱為是紅次像素、綠次像素及藍次像素。
一般而言，像素900以單位偵測區域的衝擊輻射來產生訊息。當在單位偵測區中偵測到特定波長範圍中的衝擊輻射時，次像素依據衝擊輻射之強度產生資訊。單色像素900可只包含一個次像素。配置以偵測衝擊輻射之光譜分布的像素900包含多個次像素，其中多個次像素具有至少兩種不同偵測波長範圍。像素陣列區的光感元件可包含多個光電二極體(photodiode)，互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測件、電荷耦合元件(CCD)感測件、主動式感測件、被動式感測件、其他適用的感測件或其組合。
參閱圖2A及圖2B，其繪示影像感測件中次像素區域裡的前側感測元件600。半導體基材500包含基材半導體層601。前側感測元件600包含所有可形成於半導體基材500之前側表面609上或形成於基材半導體層601 中的影像感測件之元件。每個次像素包含光感元件及用於光感元件的感測電路。次像素之集合可用於做為像素，且像素陣列1000可如圖1A或圖1B所繪示般排列，或是以任何適合的陣列配置排列，以形成影像感測件。
每個次像素可形成在基材半導體層601之中或之上，其中基材半導體層601具有前側表面609及後側表面。基材半導體層601包含如矽、鍺、矽鍺合金、化合物半導體材料，或任何具有帶隙的半導體材料，其中帶隙之能量不超過待測光子的能量。基材半導體層601中材料可基於次像素之待測光子的能量範圍進行選擇。在一實施例中，基材半導體層601可包含單一矽晶。市售矽晶半導體基材可用於半導體基材500。此製程步驟的半導體基材500具有足夠之厚度，以承受多個標準互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS)製程步驟。舉例而言，半導體基材500之厚度之範圍可實質是200微米至1mm，儘管也可採用更小或更大的厚度。
可在基材半導體層601的頂部進行適當摻雜，以形成第一導電型，其中第一導電型可為p型或n型。舉例而言，可進行磊晶半導體沉澱製程，以於基材半導體層的上部份形成單晶磊晶半導體材料層，其中第一導電型的摻雜物的原子濃度之範圍實質是1.0×1013/cm3 to 1.0×1016/cm3，儘管也可採用更小或更大的原子濃度。單晶磊晶半導體材料層之厚度之範圍實質是1微米至10微米。
在可接續形成淺溝槽隔離(shallow trench isolation)結構620的區域之周圍進行離子佈植(ion implantation)，可形成第一導電型井607。在第一導電型井607中，第一導電型的摻雜物之原子濃度之範圍可實質為1.0×1015/cm3至1.0×1018/cm3，儘管也可採用更小或更大的原子濃度。可形成淺溝槽隔離結構620，以在次像素的不同元件中提供電性絕緣。
層堆疊包含閘介電層及閘電極層，且藉由沉積並圖案化層堆疊，可在半導體基材500的前側表面609上形成閘極結構(包含閘極介電質614、轉移閘極605、閘電極615)。層堆疊的每個圖案化部分構成閘極結構(包含閘極介電質614、轉移閘極605、閘電極615)，其中閘極結構(包含閘極介電質614、轉移閘極605、閘電極615)包含轉移閘極結構(包含閘極介電質614、轉移閘極605)及控制閘結構(包含閘極介電質614、閘電極615)。轉移閘極結構(包含閘極介電質614、轉移閘極605)是轉移電晶體630之閘極結構，且轉移閘極結構(包含閘極介電質614、轉移閘極605)包含閘極介電質614及轉移閘極605之堆疊。每個控制閘結構(包含閘極介電質614、閘電極615)包含感測電路中其他電晶體的閘極介電質614及閘電極615的相應的層堆疊，其中感測電路可包含重置電晶體640、源極隨耦器電晶體650、選擇電晶體660及其他適合的電晶體。所述電晶體是可用來放大次像素的光感元件產生之訊號。
第二導電型之摻雜物可利用至少一離子植入處理埋設而貫穿半導體基材500的前側表面609。第二導電型是第一導電型的相反物。舉例而言，如果第一導電型是p型，則第二導體型是n型，反之亦然。摻有第二導電型的不同摻雜區域可由至少一離子植入處理形成。第二導電型針筒光二極體層602可形成在半導體基材500的前側表面609下，致使以俯視視角，第二導電型針筒光二極體層602之外圍位於轉移閘極605的邊緣之上。可形成具有第二導體型的摻雜之不同主動區域(包含：浮動擴散區608、主動區域612)，其中不同主動區域包含做為轉移電晶體630之汲極區的浮動擴散(floating diffusion)區608。在感測時(如當次像素為了取得一幀影格或拍攝一張圖片而主動偵測次像素上的光子衝擊時)，第二導電型針筒光二極體層602累積電荷(假設第二導體型是n型時，電荷可例如電子)，且第二導電型針筒光二極體層602是做為轉移電晶體630的源極區。主動區域612包含感測電路中多個電晶體(包含重置電晶體640、源極隨耦器電晶體650、選擇電晶體660)的源極區及汲極區。
藉由第一導電型之摻雜物的離子植入，第一導電型針筒光二極體層603可直接形成在第二導電型針筒光二極體層602的頂部。第一導電型針筒光二極體層603可抑制第二導電型針筒光二極體層602及第一導電型針筒光二極體層603間的界面空乏，並電穩定第二導電型針筒光二極體層602。
內連線級介電層670可形成在半導體基材500之前側表面609上，且連接不同電晶體(包含轉移電晶體630、重置電晶體640、源極隨耦器電晶體650、選擇電晶體660)的節點之金屬互聯結構680(包含金屬線結構684和金屬介層結構682)可形成在各次像素中。內連線級介電層670可包含相應的介電材料，如：未摻雜的矽玻璃、摻雜的矽玻璃、有機矽玻璃、多孔介電材料或其組合。包含不同介電材料(如：氮化矽、氮氧化矽、氧化矽碳化物及/或介電金屬氧化物)的介電襯可選擇性應用在內連線級介電層670中。多個金屬互聯結構680可包含不同金屬介層結構682及多個金屬線結構684。舉例而言，藉由金屬互聯結構680之子集合，浮動擴散區608可與源極隨耦器電晶體650之閘電極615相連接。光感元件可包含轉移電晶體630，且光感元件可連接包含其他電晶體(包含重置電晶體640、源極隨耦器電晶體650、選擇電晶體660)之感測電路。
根據圖3，額外的內連線級介電層670和額外的金屬互聯結構680可形成於半導體基材500之前側。半導體基材500組件之前側、內連線級介電層670及形成於其中的結構可接合承載基材690。承載基材690可暫時附著在半導體基材500之組件及內連線級介電層670，以確保後續半導體基材500之薄化，並確保薄化的半導體基材500組件及內連線級介電層670的後續處理。承載基材690可包含半導體材料、絕緣材料或金屬材料，且承載基 材690之厚度的範圍可實質為300微米至1毫米，儘管也可採用更小或更大的厚度。
可採用任何適合的接合方法來接合承載基材690至內連線級介電層670的前側。用來接合承載基材690至內連線級介電層670之例示性的接合方法包含但不限於氧化物對氧化物接合、氧化物對半導體接合、熔合接合、混合接合、陽極接合、直接接合、其他適合的接合處理及/或其組合。在本揭露可預期的範圍內，可採用其他適合的接合技術。可選擇性使用接合緩衝層689來接合內連線級介電層670與承載基材690，其中接合緩衝層689包含中間接合材料(如：氧化矽、氮化矽或半導體材料)。
根據圖4，藉由如研磨、拋光、等向性蝕刻製程及/或非等向性蝕刻製程，半導體基材的背側可被薄化。在薄化製程中，承載基材690可機械支持半導體基材500。在一實施例中，半導體基材500可被薄化，使半導體基材500之厚度範圍實質是1微米至12毫米，如1.5微米至8微米。薄化半導體基材510或半導體基材500是指經薄化製程的薄化的半導體基材500。深溝槽接續形成於薄化半導體基材510，且薄化半導體基材510之厚度可由深溝槽之最大深度所決定。在一實施例中，深溝槽接續形成於半導體基材510背側，且薄化半導體基材510之厚度可為使深溝槽伸展至淺溝槽隔離結構620的近側表面之厚度。可拋光薄化半導體基材510之背側表面709，以形成平行於薄化半導體基材510之前側表面609之平面水平表面。可接 續上下翻轉例示性結構，以進行進一步的處理。
根據圖5，可選擇的襯墊介電質層711及硬遮罩層712可形成在半導體基材510之背側表面709。若有可選擇的襯墊介電質層711，則此可選擇的襯墊介電質層711包含氧化矽層，且可選擇的襯墊介電質層711的厚度範圍實質為5nm至50nm。硬遮罩層712包含蝕刻遮罩材料，其中相應襯墊介電質層711及/或半導體基材510的蝕刻遮罩材料可在後續被選擇性移除。舉例而言，硬遮罩層712可包含氮化矽、硼矽酸玻璃或金屬材料。硬遮罩層712的厚度之範圍可實質為50nm至800nm，儘管也可採用更小或更大的厚度。
光阻層(未繪示)可設於硬遮罩層712上，且光阻層可被蝕刻圖案化，以形成開口，一般而言，前述開口可複製位於下方的淺溝槽隔離結構620之圖案。可執行第一蝕刻製程，以將光阻層中的圖案轉移至硬遮罩層712及可選擇的襯墊介電質層711上。可藉由進行第二非等向性蝕刻製程，以蝕刻半導體基材510之未遮罩部分，其中第二非等向性蝕刻製程貫穿半導體基材510，而將光阻層及硬遮罩層712中開口之圖案轉移至多個淺溝槽隔離結構620相應的頂表面。深溝槽719的深度之範圍可實質為1微米至10微米，如1.5微米至8微米。在第二非等向性蝕刻製程中，光阻層可完全消耗。深溝槽719可形成且貫穿半導體基材510。
深溝槽719可定義次像素800的區域。每個次像 素800可位於次像素區域，其中次像素區域是位於像素區域中，換言之，每個次像素800是位於像素區域中。舉例而言，像素區可包含第一次像素801區、第二次像素802區及第三次像素803區。在一說明例中，在包含用來偵測綠光的光感元件之區域中，可形成第一次像素801，在包含用來偵測紅光的光感元件之區域中，可形成第二次像素802，且在包含用來偵測藍光的光感元件之區域中，可形成第三次像素803。每個次像素800可包含容置半導體基材510之圖案化柱狀部分的體積，其中相鄰連接的深溝槽719側向圍繞此半導體基材510。像素的像素區域包含用於次像素800集合之全部次像素區域，且次像素800是包含在像素中。
根據圖6，可選擇性移除相應半導體基材510、襯墊介電質層711及淺溝槽隔離結構620的硬遮罩層712。在一說明例中，如果硬遮罩層712包含氮化矽，可利用熱磷酸之濕蝕刻製程移除硬遮罩層712。接續地，可選擇性移除相應半導體基材510的襯墊介電質層711。
根據圖7，介電金屬氧化物襯墊721L可保形地設置在半導體基材510之物理性暴露表面上。當淺溝槽隔離結構620對深溝槽719物理性暴露時，介電金屬氧化物襯墊721L可形成於深溝槽719的側壁上、半導體基材510之背側表面709上及淺溝槽隔離結構620上。介電金屬氧化物襯墊721L所含之介電金屬氧化物材料的介電質常數實質是大於7.9(即「高k」介電材料)。也可採用其他適合 的高k材料。舉例而言，高k介電材料之介電質常數的範圍實質可為7.9至100。可用於介電金屬氧化物襯墊721L之例示性的介電金屬氧化物材料包含氧化鉿、氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈣、氧化釔、氧化鉭、氧化鍶、氧化鈦、氧化鑭、氧化鋇或其組合。本揭露可預期的範圍包含其他適合的材料。可利用化學氣相沉積製程或原子層沉積(atomic layer deposition；ALD)來沉澱介電金屬氧化物襯墊721L。介電金屬氧化物襯墊721L的厚度之範圍可實質是2nm至6nm，儘管也可採用更小或更大的厚度。
可形成介電金屬氧化物襯墊721L，以提供負電荷陷阱。舉例而言，介電金屬氧化物襯墊721L可利用非化學計量的富氧組成物沉積而成，或例如利用電漿對介電金屬氧化物襯墊721L進行表面處理，以形成非化學計量的富氧表面壓縮。在此例子中，介電金屬氧化物襯墊721L可包含富氧介電金屬氧化材料，從而在介電金屬氧化物襯墊721L中累積負電荷，其中富氧介電金屬氧化材料具有帶負電的填隙氧原子及/或懸浮或斷裂的金屬氧化鍵。在一說明例中，介電金屬氧化物襯墊721L中累積負電荷之表面密度的範圍可實質是每平方公分5.0×109個至1.0×1014個電子，如實質是每平方公分1.0×1010個至2.0×1013個電子。相較於其他介電材料(如：氮化矽或氧化矽)，用於介電金屬氧化物襯墊721L之介電金屬氧化材料可累積更多負電荷。介電金屬氧化物襯墊721L的負電荷增加 第一導電型井607之界面部分及半導體基材510之基材半導體層601中的洞累積。耗盡區可形成於第一導電型井607之部分及接近介電金屬氧化物襯墊721L的半導體基材510之基材半導體層601中。耗盡區減少影像感測件的暗電流及/或白像素。
可藉由在深溝槽719的剩餘體積中保形地沉積介電材料來形成介電絕緣層722L。介電絕緣層722L包含如未摻雜的矽玻璃、摻雜的矽玻璃(如：硼矽酸玻璃)或其組合的介電材料。可利用介電金屬氧化物襯墊721L及介電絕緣層722L之組合填充(可含或不含接縫及/或封裝腔)深溝槽719。
根據圖8，透過平面化製程，介電絕緣層722L的水平部分及介電金屬氧化物襯墊721L可從半導體基材510的背側表面709上移除。利用凹槽蝕刻及/或化學機械平面化製程可移除介電絕緣層722L及介電金屬氧化物襯墊721L的水平部分。在一實施例中，在移除介電絕緣層722的水平部分的凹槽蝕刻製程中，介電金屬氧化物襯墊721可做為蝕刻終止層，而在移除介電絕緣層722的水平部分的化學機械平面化製程中，介電金屬氧化物襯墊721可做為終止層。均向蝕刻製程(如：濕蝕刻製程)蝕刻介電金屬氧化物襯墊721的材料，且選擇性蝕刻至半導體基材510的半導體材料，藉由進行此均向蝕刻製程，可接續移除位於半導體基材510之背側表面709之上的介電金屬氧化物襯墊721的水平部分。深溝槽隔離結構720係指 被用來填充深溝槽719的介電金屬氧化物襯墊721及介電絕緣層722的剩餘垂直向延伸部分。
接續地，根據圖9，在半導體基材510的背側表面709上，可沉積可選擇的抗反射塗覆(antireflective coating；ARC)層732、光學折射層734、介電柵格材料層742L及金屬反射材料層744L。
可選擇的抗反射塗覆層732可包含抗反射塗覆材料，其中抗反射塗覆材料使半導體基材510的半導體材料與位於半導體基材510之上的材料層(即光學折射層734)間的反射減少。若有可選擇的抗反射塗覆層732，則此抗反射塗覆層732的折射率可介於半導體基材510的半導體材料的折射率及光學折射層734的折射率之間。可選擇的抗反射塗覆層732可包含單一材料層及多層層狀疊積，其中多層層狀疊積具有逐漸變化的折射率。可選擇的抗反射塗覆層732包含光學透明材料，且可選擇的抗反射塗覆層732可選擇性包含半導體材料、絕緣材料、導電材料及/或聚合物材料。抗反射塗覆層的厚度之範圍732實質可為50nm至300nm，儘管也可採用更小或更大的厚度。
光學折射層734可包含半導體材料(如：矽、鍺、矽鍺合金或三五族化合物半導體)或介電材料(如：氧化矽、氮氧化矽、氮化矽)或介電金屬氧化物(如：氧化鋁)。光學折射層734可包含有利於在後續非等向性蝕刻製程中，形成溝槽的材料，其中溝槽具有高長寬比。光學折射層734可形成未圖案化的(空白的)材料層，其中未圖案化的(空白 的)材料層具有兩個水平平表面，且兩個水平平表面與半導體基材510之背側表面709平行。光學折射層734的遠端表面可為光學折射層734的兩個水平平表面中，距離半導體基材510較遠的那一個，換言之，光學折射層734的上表面。
介電柵格材料層742L可包含如氧化矽、多孔介電材料、聚醯亞胺或其他介電材料的介電材料。介電柵格材料層的厚度之範圍實質為50nm至500nm，儘管也可採用更小或更大的厚度。金屬反射材料層744L可包含具有高反射率的金屬材料。舉例而言，金屬反射材料層744L可包含銀、鋁、銅、金或其他反射率高的金屬材料。金屬反射材料層744L的厚度之範圍實質為50nm至500nm，儘管也可採用更小或更大的厚度。
可在金屬反射材料層744L上塗佈光阻層747，且可蝕刻圖案化光阻層747，以於第二導電型針筒光二極體層602的區域中(即光感元件的區域中，其中在第二導電型針筒光二極體層602及第一導電型井607間，光感元件包含相應的PN接面)形成開口。光阻層747可覆蓋或可不覆蓋感測電路的電晶體的區域(如重置電晶體640、源極隨耦器電晶體650及選擇電晶體660)。
根據圖10A及圖10B，介電柵格材料層742L及金屬反射材料層744L上，沒有被光阻層747的圖案化部分遮住的部分是被蝕刻以形成開口，其中開口貫穿介電柵格材料層742L及金屬反射材料層744L。介電柵格材料 層742L的剩餘部分形成介電柵格結構742，且金屬反射材料層744L的剩餘部分形成金屬柵格結構744。複合柵格結構是指由介電柵格結構742及金屬柵格結構744堆疊而成柵格結構740。
柵格結構740可位於第二導電型針筒光二極體層602的周圍之上，且柵格結構740定義每個感光元件的集光區，其中感光元件是位於相應的次像素800中。像素900可包含次像素之集合，其中次像素是配置以感測不同波長。每個像素900可位於相應的像素區域中，其中像素區域包含次像素800之集合。舉例而言，像素900可包含至少一第一次像素801的實例、至少一第二次像素802的實例及至少一第三次像素803的實例。在一說明例中，像素可包含位於第一次像素區域的第一次像素801(如綠次像素)、位於第二次像素區域的兩個第二次像素802(如兩個紅次像素)及位於第三次像素區域的第三次像素803(如藍次像素)。一般而言，像素900可包含至少兩種次像素800之組合，其中至少兩種次像素800是配置以偵測不同波長區段的光。或者，影像感測件可例如包含單一種次像素800的單色影像感測件。在上述狀況下，每個像素900可只包含一種次像素800。
一般而言，柵格結構740包含至少一金屬柵格結構744，且金屬柵格結構744具有反射側壁。柵格結構740可包含複合柵格結構，其中複合柵格結構具有垂直堆疊的金屬柵格結構744，且金屬柵格結構744具有反射側 壁及介電柵格結構742。柵格結構740可形成在光學折射層734之遠端表面之上。柵格結構740包含開口，其中開口位於相應的光感元件(包含：轉移電晶體630)之上。光學折射層734的遠端表面的平面遠端表面部分和柵格結構的底表面連接，且光學折射層734的遠端表面的平面遠端表面部分是光學折射層734的平面遠端表面部分。在圖案化柵格結構的非等向性蝕刻製程中，光學折射層734的遠端表面上，沒有和柵格結構740接觸的部分可相對水平面進行側向及垂直向凹陷，其中水平面包含柵格結構的底表面。
柵格結構740可將每個次像素800劃分成偵測區域及感應電路區域。舉例而言，第一次像素801可包含第一偵測區域801D及第一感測區域801S，其中第一偵測區域801D位於第一次像素801的第二導電型針筒光二極體層602之上，且第一感測區域801S位於第一次像素801的感測電路(包含轉移電晶體630、重置電晶體640、源極隨耦器電晶體650、選擇電晶體660)之上。第二次像素802可包含第二偵測區域802D及第二感測電路區域802S，其中第二偵測區域802D位於第二次像素802的第二導電型針筒光二極體層602之上，且第二感測電路區域802S位於第二次像素802的感測電路(包含轉移電晶體630、重置電晶體640、源極隨耦器電晶體650、選擇電晶體660)之上。第三次像素803可包含第三偵測區域803D及第三感測電路區域803S，其中第三偵測區域 803D位於第三次像素803的第二導電型針筒光二極體層602之上，且第三感測電路區域803S位於第三次像素803的感測電路(包含轉移電晶體630、重置電晶體640、源極隨耦器電晶體650、選擇電晶體660)之上。一般而言，像素900中所有次像素800之集合可被排列成任何圖案，其中在像素900的陣列1000中，上述圖案有利於像素900出現週期性的重複。
根據圖11A至圖11C，遮蔽材料層750L可設置在柵格結構740及光學折射層734上。在後續非等向性蝕刻製程中，遮蔽材料層750L包含之材料可被局部蝕刻速率變異數蝕刻。舉例而言，在沉積製程(如沉積具有不同粒徑材料的物理氣相沉積)中，是以顯著的厚度變化沉積材料，且遮蔽材料層750L可包含此材料。此外，在其他方式中，遮蔽材料層750L可包含提升晶界蝕刻速率的材料。另外，在其他方式中，遮罩材料可包含在後續非等向性蝕刻製程中呈現點蝕性質的材料。此外，在其他方式中，在後續非等向性蝕刻製程中，遮罩材料包含的材料，之蝕刻速率可顯著依賴局部等離子條件。一般來說，遮蔽材料層750L包含在後續的蝕刻製程具有不穩定的蝕刻速率之材料，使厚度在後續的非等向性蝕刻製程中出現顯著的局部變化。
遮蔽材料層750L可包含金屬材料、半導體材料或介電材料。如果金屬材料是用於遮蔽材料層750L，遮蔽材料層750L可包含導電金屬襯墊材料(如：TiN、TaN或WN)，或金屬材料(如：Ti、Ta或W)，或至少二金屬材 料的堆疊。本揭露的範圍還包含其他適合的材料。在一說明例中，遮蔽材料層750L可包含氮化鈦層及鈦層之堆疊。遮蔽材料層750L的水平部分的厚度之範圍可實質為20nm至100nm，儘管可採用更少或更多的厚度。
在遮蔽材料層750L上可塗佈光阻層757，且可蝕刻圖案化光阻層757，以在偵測區域(801D、802D、803D)及感測電路區域(801S、802S、803S)的遮罩區域中形成開口。在後續非等向性蝕刻製程中，光阻層757的圖案化部分位於遮蔽材料層750L的底部分之上並保護此底部分。在一實施例中，光阻層757的圖案化的邊緣可位於柵格結構740的區域之上。
根據圖12A至圖12C，可藉由進行非等向性蝕刻製程來(如：反應性離子蝕刻製程)非等向性蝕刻遮蔽材料層750L。可選用在非等向性蝕刻製程中使蝕穿遮蔽材料層750L之蝕刻速率產生隨機變化的化學反應做為化學反應。蝕刻速率之隨機變化的原因可包含但不限於遮蔽材料層750L的晶體結構、材料組成物的局部變化、蝕刻速率對局部等離子體條件的高敏感度、蝕刻過程中的點蝕傾向、等離子體對局部電荷累積的敏感度或其組合。由於蝕穿遮蔽材料層750L的蝕刻速率產生變化，在非等向性蝕刻製程期間，可在不同時間物理性暴露出光學折射層734的不同區域。
可選擇進行非等向性蝕刻製程的化學反應，藉此連帶蝕刻光學折射層734的材料，以在光學折射層734的物 理暴露部分上，形成非平面遠端表面部分734N，其中非平面遠端表面部分734N包含的隨機突出部734R。一般來說，在非等向性蝕刻製程的結束步驟時，藉由非等向性蝕刻遮蔽材料層750L並連帶蝕刻光學折射層734的頂部，可在光學折射層734上形成非平面遠端表面部分734N。
圖12A的局部放大圖(inset)係繪示在光學折射層734的非平面遠端表面部分734N中的隨機突出部734R的一種垂直剖面輪廓，然而本文在多個實施例中表明，隨機突出部734R可有不同的垂直剖面輪廓。一般而言，藉由選擇蝕刻遮蔽材料層750L的材料及化學反應，可使隨機突出部734R之垂直剖面輪廓達到各種變化，其中化學反應是用來蝕刻遮蔽材料層750L及光學折射層734。
在一實施例中，相較於遮蔽材料層750L之材料，藉由利用更高的蝕刻速率蝕刻光學折射層734的物理暴露部分，可在光學折射層734中形成具有不同深度的凹槽。換言之，非等向性蝕刻製程結束前之蝕刻速率係大於非等向性蝕刻製程中對遮蔽材料層750L的材料之蝕刻速率，以物理性暴露出光學折射層734的複數個材料部分。
在一實施例中，隨機突出部734R的平均側向尺寸之範圍實質是110nm至200nm。平均側向尺寸是指與隨機突出部734R具有相同區域的等效圓的直徑。在一實施例中，隨機突出部的平均垂直尺寸之範圍實質是10nm至100nm。平均垂直尺寸是指圓柱形的高度，其具有與隨機突出部734R相同的水平切面形狀及與隨機突出部 734R相同的的體積。
一般而言，光學折射層734可位於半導體基材510的背側。光學折射層734具有第一折射率，且光學折射層734包含平面遠端表面部分及非平面遠端表面部分734N，且非平面遠端表面部分734N包含隨機突出部734R。平面遠端表面部分接觸柵格結構740底表面的表面部分，且平面遠端表面部分的面積與柵格結構740之底表面的面積相同。在一實施例中，以俯視視角(即沿著垂直於半導體基材510的背側表面709的方向)，每個非平面遠端表面部分734N和相應的光感元件(包含：轉移電晶體630)可呈現區域上的重疊。
在非等性蝕刻製程後，遮蔽材料層750L的非蝕刻區可構成遮罩結構750陣列。在一實施例中，遮罩結構750陣列可位於光學折射層734的非平面遠端表面部分734N之外側區域。遮罩結構750陣列可具有側壁，其中側壁位於相應的柵格結構740之部分之頂表面之上並接觸此頂表面。在一實施例中，以俯視視角，遮罩結構750陣列中的每個遮罩結構750可位於相應的感測電路(包含轉移電晶體630、重置電晶體640、源極隨耦器電晶體650、選擇電晶體660)上，或可和相應的感測電路(包含轉移電晶體630、重置電晶體640、源極隨耦器電晶體650、選擇電晶體660)呈現區域上的重疊。在一實施例中，遮罩結構750的邊緣可位於柵格結構740的上表面。在一實施例中，遮罩結構750不接觸或不位於柵格結構740的第一側壁之 上，但接觸柵格結構740的第二側壁，其中第一側壁面向柵格結構740中相應的開口，且第二側壁背對柵格結構740中開口的最近端之一者。每個被柵格結構740之相鄰的第二側壁組被所環繞的每個區域可位在相應的感測電路區域(801S、802S、803S)中的區域內。
圖12D展示形成隨機突出部734R後，測試樣本的光學折射層734的頂表面之掃描式電子顯微鏡圖(scanning electron micrograph；SEM)。光學折射層734中，隨機突出部734R可具有隨機形狀及隨機大小分布及/或相鄰成對的隨機突出部734R間具有隨機間距。
圖13A至圖13C繪示圖案化光阻層757移除後的例示性結構。光阻層757的圖案之移除可例如被灰化所影響。
根據圖14，在柵格結構740上可形成具有平面上表面的光學透明層770。藉由沉積自平坦化介電材料[如：流動性氧化物(flowable oxide；FOX)]，可形成光學透明層770。在其他方式中，可例如藉由化學機械平坦化來沉積並平坦化透明介電材料，以形成光學透明層770。
在柵格結構740中，光學透明層770垂直延伸而貫穿至開口，且光學透明層770具有不同於第一折射率之第二折射率。光學透明層770可形成在光學折射層734的非平面遠端表面部分734N上。因此，衝擊下方的光感元件(包含：轉移電晶體630)上的光子可在非平面界面產生隨機折射，其中此非平面界面是位於光學透明層770及光 學折射層734的非平面遠端表面部分734N之間，且此非平面界面可增加影像感測件中光感元件(包含：轉移電晶體630)的量子效能。
可將不同彩色過濾材料塗佈在光學透明層770上，其中不同彩色過濾材料可被圖案化，以形成不同彩色濾光片780。彩色濾光片780可包含在第一次像素801區域中形成的第一型彩色濾光片781、在第二次像素802區域中形成的第二型彩色濾光片782及在第三次像素803區域中形成的第三型彩色濾光片783。可選用不同彩色過濾材料的組合，以使目標波長範圍中的光通過彩色過濾材料，並使目標波長範圍外的光被彩色過濾材料吸收。
可藉由在彩色濾光片780上塗佈光學透明材料，以及藉由將光學透明材料圖案化成具有凸面的材料部份，可在彩色濾光片780上形成光學透鏡790，其中凸面是以柵格結構740下方相應的開口為中心。
請參閱圖15A及圖15B，若有承載基材690及接合緩衝層689，此承載基材690及接合緩衝層689可從內連線級介電層670脫離。在承載基材690脫離半導體基材510之前或之後，半導體基材510及其上的元件結構可單片化成分離式影像感測件。
一般而言，像素陣列1000可形成在半導體基材510上。像素陣列1000中的每個像素包含至少一次像素，且每個次像素包含相應的光感元件(包含：轉移電晶體630)及相應的感測電路(包含：重置電晶體640、源極隨耦器電 晶體650、選擇電晶體660)，其中光感元件(包含：轉移電晶體630)及感測電路(包含：重置電晶體640、源極隨耦器電晶體650、選擇電晶體660)是位於半導體基材510的前側表面609上。光學透明層770可位於遮罩結構750陣列之上。
如圖16所示，提供根據本揭露之一實施例之形成影像感測件的一般方法。如步驟1610所示，可在半導體基材500的前側形成光感元件(包含：轉移電晶體630)。如步驟1620所示，可在半導體基材510的背側形成光學折射層734，其中光學折射層734具有第一折射率，且在光感元件(包含：轉移電晶體630)形成後及光學折射層734形成前，可薄化光學折射層734。如步驟1630所示，可在光學折射層734的遠端表面上形成柵格結構740，其中光學折射層734可為遠離半導體基材510的平面水平表面(即頂表面)。柵格結構740包含開口，其中開口位於相應的光感元件(包含：轉移電晶體630)之上。如步驟1640所示，可在柵格結構740及光學折射層734上形成遮蔽材料層750L。如步驟1650所示，可利用非等向性蝕刻製程來非等向性蝕刻遮蔽材料層750L，並連帶蝕刻光學折射層734的材料，以非等向性蝕刻製程在光學折射層734之物理暴露部分形成包含隨機突出部734R之非平面遠端表面部分734N。如步驟1660所示，在光學折射層734的非平面遠端表面部分734N上可形成具有不同於第一折射率之第二折射率的光學透明層770。
如所有的圖示所示及根據本揭露之多種實施例，提供光學結構及形成光學結構的方法，其中上述方法管理影像感測件的光學折射層，以將撞擊到影像感測件的光子之光徑延伸。光徑的延伸可增加光吸收，從而提升影像感測件的量子效率。
根據本揭露之實施例，提供光學結構，其中光學結構包含前側感測元件600、光學折射層734、柵格結構740及光學透明層770。前側感測元件600可包含轉移電晶體630，且前側感測元件600可與感測電路相連接，其中感測電路包含其他電晶體(包含：重置電晶體640、源極隨耦器電晶體650、選擇電晶體660)，且其他電晶體(包含：重置電晶體640、源極隨耦器電晶體650、選擇電晶體660)是位於半導體前側。光學折射層734是位於半導體基材510背側，其中光學折射層734具有第一折射率，光學折射層734包含平面遠端表面部分及非平面遠端表面部分734N，且非平面遠端表面部分734N包含隨機突出部734R的。柵格結構740是位於平面遠端表面部分上，且柵格結構740包含開口，其中開口位於非平面遠端表面部分734N之上。光學透明層770垂直延伸而貫穿至柵格結構中的開口，其中光學透明層770接觸非平面遠端表面部分734N，且光學透明層770具有不同於第一折射率之第二折射率，從而以非平面遠端表面部分734N提供折射界面，其中非平面遠端表面部分734N將入射光折射至隨機方向。
根據本揭露之另一實施例，提供影像感測件，其中影像感測件包含像素900陣列1000、光學折射層734、柵格結構740及光學透明層770。像素900陣列1000位於半導體基材510上，其中像素900陣列1000中的每個像素900包含至少一次像素800，且每個次像素800包含相應的前側感測元件600，其中前側感測元件600可包含轉移電晶體630，且前側感測元件600可連接感測電路，其中感測電路包含其他電晶體(包含：重置電晶體640、源極隨耦器電晶體650、選擇電晶體660)，且其他電晶體(包含：重置電晶體640、源極隨耦器電晶體650、選擇電晶體660)是位於半導體前側。光學折射層734是位於半導體基材510背側，其中光學折射層734具有第一折射率，光學折射層734包含平面遠端表面部分及非平面遠端表面部分734N，光非平面遠端表面部分734N包含隨機突出部734R。以俯視視角，每一非平面遠端表面部分734N與相應的光感元件呈現區域上的重疊。柵格結構740是位於平面遠端表面部分上，且柵格結構740包含開口，其中開口位於非平面遠端表面部分734N之上。光學透明層770垂直延伸而貫穿柵格結構740中的開口，且光學透明層770具有不同於第一折射率之第二折射率。
根據本揭露之另一實施例，光學結構的形成方法包含在半導體基材510前側形成光學結構的步驟。此方法可選擇性包含在半導體基材的背側上形成具有第一折射率的光學折射層734之步驟。本方法可選擇性包含在光學折射 層734的遠端表面形成柵格結構740之步驟，其中柵格結構740包含開口，且開口位於相應的光感測元件之上。本方法可選擇性包含在柵格結構740及光學折射層734上形成遮蔽材料層的步驟。本方法可選擇地在光學折射層734的物理性暴露部分上，利用非等向性蝕刻製程進行非等向性蝕刻遮蔽材料層750之步驟，及在光學折射層734的非平面遠端表面部分上形成光學透明層770之步驟，其中非等向性蝕刻製程連帶蝕刻光學折射層734的材料，以形成非平面遠端表面部分，而非平面遠端表面部分包含隨機突出部，且光學透明層770具有不同於第一射率之第二折射率。
在一實施例中，隨機突出部的平均側向尺寸之範圍實質可例如為10nm至200nm。
在一實施例中，隨機突出部的平均垂直尺寸之範圍實質可例如為10nm至100nm。
在一實施例中，光學折射層可包含半導體材料或介電材料。
在一實施例中，柵格結構可包含至少一金屬柵格結構，且至少一金屬柵格結構具有多個反射側壁。
在一實施例中，光學結構可選擇性包含遮罩結構陣列，其中遮罩結構陣列位於光學折射層之此些非平面遠端表面部分之多個區域之外，遮罩結構陣列具有多個側壁，且此些側壁接觸且位於相應的柵格結構的上表面之部分之上，其中光學透明層位於遮罩結構陣列之上。
在一實施例中，影像感測件可選擇性包含遮罩結構陣列，其中遮罩結構陣列位於光學折射層之此些非平面遠端表面部分之多個區域之外，遮罩結構陣列具有多個側壁，且此些側壁接觸且位於此些柵格結構的上表面之部分之上並接觸此部分，其中光學透明層位於遮罩結構陣列之上。
在一實施例中，遮罩結構陣列中的每一遮罩結構位於此些感應電路的相應一者之上，且以俯視視角，每一此些遮罩結構與此些感應電路的相應一者呈現區域上的重疊。
在一實施例中，遮罩結構陣列不接觸或不位於該柵格結構中的多個第一側壁之上，且遮罩結構陣列接觸柵格結構中的多個第二側壁，其中此些第一側壁朝向柵格結構中相應的此些開口，且此些第二側壁背對柵格結構中此些開口的最近端之一者。
在一實施例中，此些隨機突出部的平均側向尺寸之範圍實質可例如為10nm至200nm。
在一實施例中，光學折射層可包含半導體材料或介電材料。
在一實施例中，其中柵格結構具有複合柵格結構，複合柵格結構可包含垂直堆疊，且垂直堆疊可包含金屬柵格結構及介電柵格結構，其中金屬柵格結構具有多個側壁。
在一實施例中，影像感測件可選擇性包含彩色濾光元件陣列及透鏡陣列，其中彩色濾光元件位於光學透明層 之上，且透鏡陣列位於彩色濾光元件陣列上。
在一實施例中，非等向性蝕刻製程蝕穿光罩材料層之蝕刻速率具有多個隨機變異數，以在不同時間點物理性暴露出光學折射層的多個不同的區域。非等向性蝕刻製程結束前之蝕刻速率係大於非等向性蝕刻製程中對遮蔽材料層的材料之蝕刻速率，以物理性暴露出光學折射層的複數個材料部分。
在一實施例中，光學結構的形成方法可選擇性包含在遮蔽材料層上塗佈並圖案化光阻層，其中光阻層的多個圖案化部分位於遮蔽材料層的多個部分之上並保護此些部分，且在非等向性蝕刻製程後，遮蔽材料層的多個未蝕刻部分構成遮罩結構陣列。
在一實施例中，此些隨機突出部的平均側向尺寸之範圍實質可例如為10nm至200nm，且此些隨機突出部的平均垂直尺寸之範圍實質可例如為10nm至100nm。
在一實施例中，光學折射層可包含半導體材料或介電材料，且柵格結構可包含至少一金屬柵格結構，且至少一金屬柵格結構具有多個反射側壁。
前文概括了幾個實施例之特徵以使得熟習此項技術者可更好地理解本揭露之態樣。熟習此項技術者應瞭解，其可容易使用本揭露作為設計或修改其他過程及結構，以用於實行本文介紹之實施例之相同目的及/或實現相同優點的基礎。熟習此項技術者亦應認識到，此些等效構造不偏離本揭露之精神及範疇，且其在不偏離本揭露之精神及 範疇之情況下可在此做出各種改變、替換及更改。
510:半導體基材
600:前側感測元件
601:基材半導體層
609:前側表面
620:淺溝槽隔離結構
670:內連線級介電層
680:金屬互聯結構
689:緩衝層
690:承載基材
709:背側表面
720:深溝槽隔離結構
721:介電金屬氧化物襯墊
722:介電絕緣層
732:抗反射塗覆層
734:光學折射層
740:柵格結構
742:介電柵格結構
744:金屬柵格結構
750:遮蔽材料層
770:光學透明層
780:彩色濾光片
781:第一型彩色濾光片
783:第三型彩色濾光片
790:光學透鏡
800:次像素
801D:偵測區域
802S:感測電路區域

Claims (10)

  1. 一種光學結構，包含：複數個光感元件，位於一半導體基材的一前側；一光學折射層，位於該半導體基材的一背側，其中該光學折射層具有一第一折射率，該光學折射層包含複數個平面遠端表面部分及複數個非平面遠端表面部分，且該些非平面遠端表面部分包含複數個隨機突出部；一柵格結構，位於該些平面遠端表面部分上且包含複數個開口，其中該些開口位於該些非平面遠端表面部分之上；以及一光學透明層，垂直延伸而貫穿該柵格結構中的該些開口，並接觸該些非平面遠端表面部分，其中該光學透明層具有不同於該第一折射率之一第二折射率，並利用該些非平面遠端表面部分提供一折射界面，使入射光以複數個隨機方向折射。
  2. 如請求項1所述之光學結構，其中該柵格結構包含至少一金屬柵格結構，且該至少一金屬柵格結構具有複數個反射側壁。
  3. 如請求項1所述之光學結構，更包含一遮罩結構陣列，其中該遮罩結構陣列位於該光學折射層之該些非平面遠端表面部分之複數個區域之外，該遮罩結構陣列 具有複數個側壁，且該些側壁接觸且位於相應的該柵格結構的一上表面之一部分之上，其中該光學透明層位於該遮罩結構陣列之上。
  4. 一種影像感測件，包含：一像素陣列，位於一半導體基材上，其中該像素陣列之每一像素包含至少一次像素，每一該至少一次像素包含相應的一光感元件及相應的一感測電路，且該光感元件及該感測電路位於該半導體基材之一前表面；一光學折射層，位於該半導體基材的一背側，其中該光學折射層具有一第一折射率，該光學折射層包含複數個平面遠端表面部分及複數個非平面遠端表面部分，且該些非平面遠端表面部分包含複數個隨機突出部，其中以一俯視視角，每一該些非平面遠端表面部分與相應的該些光感元件呈現一區域上的重疊；一柵格結構，位於該些平面遠端表面部分上，其中該柵格結構包含複數個開口，且該些開口位於該些非平面遠端表面部分之上；以及一光學透明層，垂直延伸而貫穿該柵格結構中的該些開口，其中該光學透明層具有一第二折射率，且該第二折射率不同於該第一折射率。
  5. 如請求項4所述之影像感測件，更包含一遮罩結構陣列，其中該遮罩結構陣列位於該光學折射層之該 些非平面遠端表面部分之複數個區域之外，該遮罩結構陣列具有複數個側壁，且該些側壁接觸且位於該些柵格結構的一上表面之一部分之上並接觸該部分，其中該光學透明層位於該遮罩結構陣列之上。
  6. 如請求項4所述之影像感測件，其中該光學折射層包含一半導體材料或一介電材料。
  7. 如請求項4所述之影像感測件，其中該柵格結構具有一複合柵格結構，該複合柵格結構包含一垂直堆疊，該垂直堆疊包含一金屬柵格結構及一介電柵格結構，其中該金屬柵格結構具有複數個側壁。
  8. 一種光學結構的形成方法，包含：在一半導體基材的一前側形成複數個光感元件；在該半導體基材的一背側形成具有一第一折射率之一光學折射層；於該光學折射層之一遠端表面上形成一柵格結構，其中該柵格結構包含複數個開口，該些開口位於該些光感元件的相應一者之上；在該柵格結構上及該光學折射層上形成一遮蔽材料層；利用一非等向性蝕刻製程對該遮蔽材料層進行非等向性蝕刻，並連帶蝕刻該光學折射層的一材料，以在該光學折射層的複數個物理性暴露區上形成複數個非平面遠端表面 部分，其中該些非平面遠端表面部分包含複數個隨機突出部；以及在該光學折射層的該些非平面遠端表面部分上形成一光學透明層，其中該光學透明層具有不同於該第一折射率的一第二折射率。
  9. 如請求項8所述之光學結構的形成方法，其中：該非等向性蝕刻製程蝕穿該光罩材料層之一蝕刻速率具有複數個隨機變異數，以在不同時間點物理性暴露出該光學折射層的複數個不同的區域；以及該非等向性蝕刻製程結束前之一蝕刻速率係大於該非等向性蝕刻製程中對該遮蔽材料層的一材料之一蝕刻速率，以物理性暴露出該光學折射層的複數個材料部分。
  10. 如請求項8所述之光學結構的形成方法，更包含在該遮蔽材料層上塗佈並圖案化一光阻層，其中該光阻層的複數個圖案化部分位於該遮蔽材料層的複數個部分之上並保護該些部分，且在該非等向性蝕刻製程後，該遮蔽材料層的複數個未蝕刻部分構成一遮罩結構陣列。
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